基于变异系数法的灵宝市土地生态敏感性分析

吴昆 彭红霞 李江风 陈万旭

摘要：选定河南省灵宝市地貌、地质灾害易发程度、土地覆被、土壤类型和地形坡度等5个因子，构建土地生态敏感性评价指标体系，采用客观确权法-变异系数法确定各个因子权重，结合ArcGIS，运用加权评分法得到灵宝市土地敏感性分布情况。结果表明，灵宝市土地生态环境总体较脆弱，以极敏感和高敏感为主，占全市面积的52.90%，不敏感和低敏感区占全市面积的23.89%。

关键词：土地生态敏感性；ArcGIS；变异系数法；灵宝市

中图分类号：X826 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）14-0032-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.14.007 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Five factors of Lingbao city in Henan province were selected，including the landform，the degree of susceptibility to geological disasters，land cover type，soil type and topographic gradient，and the evaluation index system of land ecological sensitivity was constructed. Objective weighting method-coefficient of variation method was used to determine the weight of each factor. Combined with ArcGIS，Weighted grading method was used to get the distribution of land sensitivity in Lingbao city. The results showed that the ecological environment of Lingbao was generally fragile， with mainly very sensitive and highly sensitive，accounting for 52.90% of the total area of the city； While insensitive and low sensitive area accounting for 23.89% of the total area of the whole city.

Key words： land ecological sensitivity； ArcGIS； coefficient of variation method； Lingbao city

土地生態环境敏感性是指土地生态系统对人类活动反应的敏感程度，用来反映区域发生土地生态失衡与生态环境问题的可能性大小[1]。对区域进行土地生态敏感性评价，能够明确土地发生生态环境问题的可能性，从而确定保护与开发利用的区域，促进土地资源的可持续利用。

在土地生态敏感性评价中，评价模型与因子权重的选择是否合理直接关系到评价结果的科学性、合理性。目前，相关研究也主要集中在探索更为合理的评价模型与确权方法上。王成等[2]基于熵权物元模型确定各指标权重，利用GIS进行矢量叠加分析，对三峡库区丰都段土地生态环境进行了评价。该方法用评估指标值构成的判断矩阵来确定指标权重，能够尽可能消除各指标权重计算的主观因素，但忽略了指标本身的重要程度，确定的指标权数与预期结果相差甚远。刘正佳等[3]以SRP概念模型为依据，结合了主成分分析和层次分析，对沂蒙山区生态环境脆弱性进行评价。该研究在确定权重上结合了主成分分析和层次分析两种数学方法的优点，使研究结果比以往的单个方法更合理，但结果还存在主观因素。邱彭华等[4]基于景观格局角度，运用景观生态学法探讨了海南西部区域生态环境脆弱性问题。景观生态学从景观视角建立与生态环境脆弱性之间的内在关联性，可从更广、更高层面上来分析与评价区域环境问题，但个别指标的表征效果还不明显，还需进一步探讨。夏新丰等[5]运用模糊叠加和模糊聚类等方法，利用GIS分析工具对研究区进行生态敏感性评价分析。该方法使整个评价过程更好地体现事物的模糊性，同时也使整个评价过程更加客观、科学。但在样本量较大时，要获得聚类结论有一定难度。曹建军等[6]以上海市为例，在GIS空间分析技术的支持下，运用层次分析法对研究区进行生态敏感性分析。层次分析法计算方法简便，结果简单明确，但定量数据少，结果往往具有很强的主观性。凌焕然等[7]在对马鞍山江心洲生态环境敏感性评价中，采用成对比较法与德尔菲专家打分法确定因子权重。赵义华等[8]利用专家打分法和层次分析法相结合的方法确定因子权重。此方法简单易懂，程序简单，但结果掺杂主观因素，客观性不强。张祚等[9]基于三角白化权函数的灰色评价法对各层次指标进行评价和分析，并得到临湘市的生态脆弱性结果。灰色评价法利用已知信息来确定系统的未知信息，对样本量没有严格的要求，不要求服从任何分布。但它具有“相对评价”的全部缺点，需要设定的“分辨率”目前还没有一个统一的标准。尹海伟等[10]借助GIS技术，采用因子叠加求取最大值法，对吴江东部地区的生态敏感性进行分析。潘峰等[11]采取极大值法对新疆克拉玛依市的生态环境问题进行综合评价。此方法克服了其他方法周期长、操作复杂、景观要素被割裂等弊端。但评价结果只能显示最具限制性因子的特征属性。刘焱序等[12]利用研究区遥感影像，基于LUCC相关理论，对研究区进行土地利用现状分析和土地生态敏感性评价与分区。基于各敏感区土地利用动态统计，可分析研究区生态保护在时间上的持续性和空间上的合理性，从而为生态型城市的建设布局模式提供建议。汪辉等[13]借助ArcGIS软件的空间分析功能，利用层次分析法生成单个评价因子生态敏感性图，再通过加权叠加法获得综合生态敏感性分布图。孙才志等[14]也运用层次分析法和加权求和模型，从水量和水质两方面对辽河平原地下水生态敏感性进行分析。杨月圆等[15]采用多因子加权求和模型，对云南省土地生态敏感性进行评价。他们采用的加权求和模型能够充分考虑各个因子对评价结果的影响，但使用的确权方法存在缺陷，会影响到评价结果的客观性。本研究所采用的变异系数法能较好地弥补上述方法在确定权重方面的主观性。它能充分利用各项指标本身所包含的信息确定权重，是一种客观赋权的方法，因此广泛应用于国家发展水平评价、公司绩效评价、环境质量评价、商品品质评价等指标赋权工作方面。

目前国内相关研究主要集中在全国、区域和省市尺度，而针对县级市域及以下更小尺度的研究还相对较少。灵宝市属于秦岭典型资源型地区，被誉为“黄金之都”，地质灾害频发，生态环境极其脆弱，选其作为研究区有重要的生态意义。本研究采用的变异系数法及加权评分模型，能够充分考虑各个因子对评价结果的影响，而且在确定权重方面比以往方法更加客观可行。

1 研究区概况

灵宝市处于豫西断隆的南部，秦岭地槽褶皱系的北部，是河南省三门峡市管辖的县级市，具体地理位置见图1。空间位置特殊，处于三省边界处，与山西、陕西两省接壤。该区域属暖温带大陆性半湿润季风型气候，气候温和，四季分明。年平均气温13.4 ℃，年降水量599.6 mm，年日照总时数2 205.4 h。

研究区境内管辖10个镇5个乡2个区管委，国土面积约3 011.62 km2。2014年，耕地面积为1 136.84 km2，林地面积为1 080.45 km2，草地面积为566.65 km2，水域面积为51.90 km2，建设用地面积为137.27 km2。地势总体南高北低，南北高差约2 090 m；地表地貌由中山、低山、河流阶地、黄土台塬、河床漫滩及山前洪积扇组成；土壤类型以淋溶土为主，分布面积最大；其次为初育土，呈条状带分布贯穿灵宝市的南北；淋溶土主要分布在灵宝市的西南部；钙质土分布面积极少，主要分布在最北部的边界土地上。灵宝市是中国重要的黄金产区，被誉为“黄金之都”。矿区地质灾害频发，主要以塌陷、泥石流、滑坡等災害为主。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

土地生态敏感性评价因子的基础数据主要来源于灵宝市国土资源局，包括灵宝市地貌类型图（2010年）、灵宝市土地利用现状图（2014年）、灵宝市土壤类型图（2010年）。灵宝市坡度图（2010年）、灵宝市地质灾害分区图（2010年）来源于灵宝市地质矿产局。运用AcrGIS的数据采集、存储、管理、分析和评价的功能[16]，对基础数据进行处理，制作土地生态敏感性因子专题数据库。

2.2 研究方法

2.2.1 变异系数法 以往在确定因子权重方面，以主观确权为主，如层次分析法[17]、德尔菲法[18]等。不仅过程繁琐复杂，结果还往往具有很强的主观性。本研究在确权方法上进行改进，在评价思路上事先没确定因子权重，而是在得到各评价单元因子指数后采用变异系数法[19]获得，与以往定性方法相比更加客观可信。变异系数法（Coefficient of variation method）是直接利用各项指标所包含的信息，通过计算得到指标的权重，是一种客观赋权的方法。此方法的思路是在评价指标体系中，取值差异越大的指标，也就是越难以实现的指标，这样的指标往往能更好地反映评价结果的差异性。因此指标取值差异愈大，所占权重愈大。

2.2.2 加权评分法 应用科学合理的模型不仅会影响研究工作数据处理量的大小及难易程度，更加关乎评价结果的实效性。因此本次研究工作依据灵宝市当地的实际情况，确定选择加权评分法[20]作为评价模型。该评价模型具体步骤为：①首先结合当地实际情况及相关材料选择合适正确的评价因子。②参考其相关规范和其他研究成果，对各个评价因子进行科学客观的分级量化。③在前面各项工作的基础上，利用GIS技术生成各个评价指标的专题图层，并相应给其赋值。④运用变异系数法确定每个评价因子的权重。⑤将专题图层进行叠加，进而进行加权叠加，得到每个单元的分值。然后对各个评价单元总得分的分布频率特征进行分析处理，从而划分不同的敏感性级别区。

3 评价过程

3.1 评价因子的选取及分级量化

通过对灵宝市的实际情况进行调查研究，结合该区域主要生态环境问题、生态敏感性原理以及资料可获性，选取地貌类型、地质灾害易发程度、土地覆盖类型、土壤类型和土地坡度等5个评价因子对全市土地生态敏感性进行综合评价。根据国家2003年5月颁布的《生态功能区划技术暂行规程》，参考其相关规范和前人研究成果[21-25]将5项评价因子分为极敏感、高敏感、中敏感、低敏感和不敏感5级并赋值，结果见表1。

3.2 单因子的生态敏感性分析

利用ArcGIS空间分析（Spatial analyst）模块的区统计（Zonal statistics）功能，将包含各个评价因子数据的图层分别统计，得到5项评价因子数据。利用ArcGIS的自然断点法（Natural break）将5项因子指数分级，便于因子之间横向比较，分级结果见表2和图2。

由单因子评价结果图可知，地貌类型因子方面，极敏感和高敏感区占到全市总面积的22.68%，主要分布在北部地区；地形坡度因子方面，极敏感和高敏感区占到全市总面积的36.73%，主要分布在中部和北部区域；地质灾害因子方面，高敏感和中敏感区占到全市总面积的59.65%，主要分布在中部丘陵中山地区；土地覆被因子方面，极敏感和高敏感区占全市总面积的57.14%，主要分布在南部、西南及东南等地区；土壤类型因子方面，高敏感和中敏感区占到全市总面积的79.03%，广泛分布在灵宝市的各个地区。

3.3 评价因子权重确定

评价因子权重采用变异系数法确定，即根据5项因子指数，利用AcrGIS统计功能得出5项因子的均值和标准差，从而计算变异系数，用各因子变异系数占因子变异系数和的比重来确定各因子的权重。计算公式如下。

式中，w为评价因子权重；v为评价因子变异系数；S为评价因子标准差；x为评价因子均值；i=1，2，3，4，5。由表3可知，由于灵宝市的土地生态环境问题主要是水土流失和地质灾害，与其紧密关联的土地覆被、地形坡度、地质灾害因子的差异系数也较大，权重分别为43%、17%、13%；而地貌类型、土壤类型因子取值比较集中，变异系数较小，权重分别为11%、16%。

3.4 多因子的综合分析

3.4.1 土地生态敏感性评价单元的划分 评价单元划分的正确性关乎评价过程的简便程度及评价结果的合理性。每一个评价单元都是包含了各个评价因子属性和特征的最小研究对象[26]，是研究区域的最小单元。土地敏感性评价结合灵宝市的实际情况，利用加权叠加法，将评价体系中的评价因子图层数据进行叠加（坡度图、地形地貌图、地灾易发程度图、土壤类型图、植被覆盖类型图），最终形成一个个封闭的评价单元。评价将灵宝市共划分成500 m×500 m规格约11 320个单元。

3.4.2 土地生态敏感性综合评价模型 对各评价单元5项土地生态敏感性因子加权求和，得到各评价单元的综合土地生态敏感性指数。计算公式如下。

通过上面的计算公式，对各个指标图层的加权叠加分析，得到灵宝市11 320个评价单元的适宜性总得分。然后对每个评价单元总得分的分布频率特征用统计学的理论方法进行分析处理[27]，从而划分不同的敏感性级别的区间，结果如表4所示。灵宝市土地生态敏感性分布见图3。

3.4.3 土地生态敏感性多因子综合结果 灵宝市土地生态敏感性评价结果（表4）显示，灵宝市土地生态环境总体较脆弱，主要以极敏感和高敏感为主，占全市面积的52.90%。具体空间分布（图3）特征如下。

1）极敏感区。该区域面积约为777.74 km2，占灵宝市总面积的25.83%。主要分布于灵宝市的中部。地貌以低山、山前洪积扇为主，坡度大地势陡峭；土壤类型以淋溶土和半淋溶土為主；地质灾害易发程度高；土地覆被以林地、草地为主。

2）高敏感区。该区域面积约为815.08 km2，占灵宝市总面积的27.07%，主要分布于灵宝市的中部、西南部。地貌主要为山前洪积扇、低山及中山，坡度较大地势较陡；土壤类型以半淋溶土和初育土为主；地质灾害易发程度较高；土地覆被以林地、耕地为主。

3）中敏感区。该区域面积约为698.85 km2，占灵宝市总面积的23.21%，散布在灵宝市各个区域。地貌主要为河流阶地和黄土台塬，坡度较缓，地势平坦；土壤类型以淋溶土和半淋溶土为主；地质灾害易发程度较高；土地覆被以林地、耕地和草地为主。

4）低敏感区。该区域面积约为333.92 km2，占灵宝市总面积的11.09%。主要分布于灵宝市的北部，地貌为河流阶地、河床漫滩、黄土台塬，坡度缓地势平坦；土壤类型以初育土和半淋溶土为主；地质灾害易发程度较低；土地覆被为耕地、建设用地。

5）不敏感区。该区域面积约为385.41 km2，占灵宝市总面积的12.80%。主要分布于灵宝市的南部、西北部。地貌为中山、河流阶地，坡度缓地势平坦，土壤类型以初育土和半淋溶土为主，地质灾害易发程度低，土地覆被为耕地，建设用地。

4 小结与讨论

以ArcGIS为基础，运用变异系数法和加权评分法对灵宝市土地生态敏感性进行评价，得出以下结论。

1）在对单因子评价结果与多因子综合评价结果对比时，土地覆被、地形坡度、地质灾害敏感性图与综合评价结果图分布趋势大致相同；而土壤类型、地貌类型敏感性图却存在很大的差异。由于灵宝市的土地生态环境问题主要是水土流失和地质灾害，与其紧密关联的土地覆被、地形坡度、地质灾害因子权重和占73%。采用加权叠加后，土壤类型、地貌类型因子的作用会弱化，呈现出与多因子综合评价结果图的巨大差异，结果与实际情况相符。

2）灵宝市土地生态环境总体较脆弱，主要以极敏感和高敏感为主，占到全市面积的52.90%，主要分布在中部、北部地区。不敏感和低敏感区占全市面积的23.89%，主要分布在南部、北部地区。

3）研究区内的极敏感与高敏感区土地生态环境脆弱，生态环境极易受到人为破坏，应作为生态环境重点建设保护区，禁止进行开发建设活动。对其应继续加大荒山造林和退耕还林力度，提高森林覆盖率，提高生态系统的多样性和稳定性；中敏感区土地生态环境也较为脆弱，容易遭受人为干扰，应作为控制发展区。以“在保护中开发，在开发中保护”为指导原则进行适度开发。此外，该地区地质灾害也时有发生，需做好建设项目的地质灾害评估；低敏感区与不敏感区土地生态环境相对良好，适合进行有节制的开发活动。

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